Wikijunior:Natuurkunde/Krachten

Gezocht: Wikibookianen die een beroep hebben waar natuurkunde bij gebruikt wordt en die in het hoofdstuk "Einde" heel kort iets willen vertellen over hun beroep.

Inleiding: Krachten onder controle houden

Als je iets maakt, optilt of vervoert, pas je krachten toe. Dat kan je eigen spierkracht zijn, of de kracht van een machine. Daarbij moet je altijd oppassen dat de krachten jou niet de baas worden.

Het herkennen van krachten

Als er kracht op je lichaam wordt uitgeoefend, voel je dat vaak. Bijvoorbeeld als het stevig waait. Krachten die op andere mensen worden uitgeoefend, voel je natuurlijk niet, maar je kunt wel zien wat voor effect krachten hebben.

Als een kracht op een voorwerp wordt uitgeoefend kun je dat op twee manieren zien: het voorwerp kan vervormen (daarover gaat de volgende paragraaf) of de beweging van een voorwerp kan veranderen. Een stilstaande auto kan bijvoorbeeld gaan rijden, een rijdende auto kan de bocht omgaan of gaan stilstaan: dit gebeurt allemaal doordat er een kracht op de auto wordt uitgeoefend.

Elastisch en plastisch

Elastisch

Proef: Wat is elastisch vervormen?
Benodigdheden: spons Duw op de spons. Als je stopt met duwen, krijgt het vanzelf zijn oude vorm weer terug. Dat noem je elastisch vervormen.
Wat heb ik geleerd:

Plastisch

Proef: Wat is plastisch vervormen?
Benodigdheden: Klei Duw op de klei. Als je stopt met duwen, krijgt het zijn oude vorm niet terug. Dat noem je plastisch vervormen.
Wat heb ik geleerd:

Verschillende krachten

Er zijn veel soorten krachten. Een aantal voorbeelden:

• Zwaartekracht. Op elk voorwerp op aarde werkt de aantrekkingskracht van de aarde. Deze aantrekkingskracht heet de zwaartekracht. De zwaartekracht is in Nederland 9,81 newton per kg. Soms gebruikt men de afgeronde waarde, namelijk 10 N/kg. Op een voorwerp van 1 kilogram werkt dan een zwaartekracht van ongeveer 10 N. De fout die men maakt met deze afronding is kleiner dan 2%.
• Veerkracht. Veerkracht ontstaat wanneer een veerachtig voorwerp wordt ingedrukt of uitgerekt. Bijvoorbeeld als je een expander uitrekt voel je de veerkracht aan je handen trekken. Spankracht ontstaat als een touw of kabel strak gespannen wordt.
• Spierkracht. Deze ontstaat als spieren in je lichaam zich spannen. Op die manier kun je krachten op voorwerpen uitoefenen. Je kunt ze optillen, indrukken, uitrekken, weggooien etcetera.
• Magnetische kracht. Als je de polen van twee magneten bij elkaar brengt, oefenen ze krachten op elkaar uit. Twee noordpolen of twee zuidpolen stoten elkaar af. Maar twee verschillende polen trekken elkaar aan. Rond elke magneet bevindt zich een magneetveld. Als je een paar naaldmagneten rond een staafmagneet neerzet, zullen de naaldmagneten elk een andere stand aannemen. De richting van de naaldmagneten, heeft te maken met de polen van de staafmagneet. De noordpool van de staafmagneten richten naar de zuidpool. Maar wat gebeurt er als je de staafmagneet weghaalt? In het hoofdstuk over magnetisme leer je meer over magnetisme.
• Elektrische krachten. Je kunt voorwerpen elektrisch laden door op ze te wrijven. Er zijn twee soorten lading, positieve en negatieve. Twee op dezelfde manier geladen voorwerpen stoten elkaar af. Maar twee op verschillende manieren geladen voorwerpen trekken elkaar aan. In het hoofdstuk over het weer leer je meer over dit verschijnsel.
• Normaalkracht. Stel: een fruitschaal staat op tafel. De normaalkracht is de kracht die door het tafelblad op de fruitschaal wordt uitgeoefend zodat de schaal niet door de tafel zakt.

Krachten tekenen

Je kunt krachten heel eenvoudig tekenen als pijlen. Die pijlen worden vectoren genoemd. De richting geeft aan in welke richting de kracht werkt, het beginpunt geeft aan waar de kracht wordt uitgeoefend en de lengte van de pijl geeft aan hoe groot de kracht is.

Er is met de zwaartekracht iets bijzonders aan de hand. Elk stukje voorwerp wordt door de aarde aangetrokken. Toch teken je hier niet allemaal piepkleine pijltjes voor. Je kunt ze door 1 grote pijl vervangen die middenin het voorwerp begint. Daar ligt het zwaartepunt. Die ene grote pijl vat het effect van de zwaartekracht samen.

Het meten van krachten

Krachtmeters

Als je aan een spiraalveer trekt, rekt hij uit. Hoe groter de kracht, des te verder trekt de veer uit. Hang er maar eens gewichtjes aan!

Met een veer kun je dus krachten meten. Daarvan wordt in een krachtmeter gebruik gemaakt. Als er aan het haakje getrokken wordt, trekt de veer uit en het wijzertje geeft dan aan hoe groot de kracht is.

Slappe en stugge veren

Sommige krachtmeters hebben een slappe veer. Die trekt gemakkelijk uit. Die gebruik je om kleine krachten te meten. Ook zijn er krachtmeters met stugge veren. Die gebruik je bij het meten van grotere krachten.

Newton

Isaac Newton.

Krachtmeters hebben een schaalverdeling in newton. Deze eenheid is vernoemd naar de Engelse natuurkundige Isaac Newton, die van 1642 tot 1727 leefde en zich bezighield met krachten, onder andere de zwaartekracht.

Krachtmeters kun je ook gebruiken om de zwaartekracht te meten. Je ontdekt dan een eenvoudige regel voor de grootte van de zwaartekracht. Een gewichtje van 100 gram trekt op aarde aan de krachtmeter met 0,98 newton, dus afgerond 1 newton. Dat schrijf je als 1 N.

Op de maan is de zwaartekracht kleiner. Als je op de maan een voorwerp van 100 gram aan de krachtmeter zou hangen, geeft de krachtmeter maar 0,16 N aan. Je kan de zwaartekracht dus uitdrukken in newton per kilogram. Een gewicht van een kilogram veroorzaakt dus een kracht op de krachtmeter op aarde van 9,8 newton.

planeet	aantal N per kilogram (afgerond)
Aarde	9,8
Mercurius	4
Venus	9
Mars	4
Jupiter	23
Maan	1,6

Jupiter is een grote en zware planeet, daarom is de zwaartekracht er sterker dan op aarde.

Krachten in constructies

Bouwen

Als je een huis bouwt, worden er allerlei materialen gebruikt. Bijvoorbeeld beton, baksteen, glas, hout en kunststof.

Een huis mag onder zijn eigen gewicht niet instorten en moet tegen zware windstoten kunnen. Een architect moet rekening houden met de krachten die op elk onderdeel van een huis komen te staan. Hij kan niet zomaar elk willekeurig bouwmateriaal gebruiken.

Bakstenen

Bakstenen worden van klei gemaakt. In houten vormen krijgen ze uiteindelijk hun vorm. Daarna worden ze gedroogd om het water eruit te halen. Daarna worden ze in een 1100°C warme oven gebakken.

Baksteen wordt veel gebruikt als bouwmateriaal. Muren van bakstenen zijn goed geschikt voor het opvangen van drukkrachten. Ze zijn niet geschikt tegen trekkrachten, dan ontstaan er scheuren. Daarom worden ze zo gebouwd, dat ze alleen drukkrachten opvangen.

Beton

Als je zand, cement, water en grind in de juiste verhouding mengt en het laat uitharden, krijg je beton. Beton wordt gebruikt om het fundament van een huis op te bouwen.

Het is niet goed bestand tegen trekkrachten. Als er iets zwaars op een betonnen vloer komt, komen er trekkrachten op de onderkant te staan en komen er scheuren.

Beton wordt bestand gemaakt tegen trekkrachten door middel van een ijzeren geraamte. Je krijgt dan gewapend beton. Daarvan worden vloeren vaak gemaakt.

Hout en staal

Hout is niet sterk genoeg om grote ruimtes mee te overspannen.

Hout is goed tegen beide krachten bestand, maar niet sterk genoeg om er grote ruimtes mee te overspannen. Daarvoor kun je beter staal gebruiken. In plaats van massieve, zware en dure stalen balken, worden er profielbalken gebruikt, die minder wegen maar grotere krachten kunnen doorstaan.

Drukkrachten en trekkrachten

De muren van een gebouw worden door het gewicht van het huis in elkaar gedrukt. De muren moeten daarom gemaakt worden van een materiaal dat goed tegen drukkrachten kan.

Op andere delen van een huis komen trekkrachten te staan. Die rekken het uit, bijvoorbeeld bij sommige balken in het dak.

Op sommige delen van een huis werken niet alleen drukkrachten, maar ook trekkrachten. Bijvoorbeeld op een vloer waar een piano op staat. Die buigt dan een klein beetje door. De bovenkant wordt in elkaar gedrukt en de onderkant wordt uitgerekt.

Krachten optellen

Resultanten

Stel: er zijn twee sleepboten die een vrachtschip met pech vooruit trekken. Elke sleepboot oefent trekkracht uit op het schip. In welke richting en met welke snelheid het vrachtschip beweegt, wordt door de 'totaalkracht' van de twee sleepboten. Deze totaalkracht heet de resultante.

Krachten samenstellen

Om de resultante van een aantal krachten te bepalen, moet je ze bij elkaar optellen. Dat heet krachten samenstellen. Maar let op: je kunt ze niet bij elkaar optellen alsof het getallen zijn. Ook de richting is belangrijk. Je moet de krachten als volgt optellen:

1. Geschikte krachtenschaal kiezen.
2. Twee krachten op schaal onder de juiste hoek tekenen.
3. Je kunt de twee pijlen zien als twee zijden van een parallellogram. Dat moet je afmaken.
4. Teken een pijl van het beginpunt van de twee pijlen naar het tegenoverliggende hoekpunt. Die geeft de richting aan van de resultante.
5. Meet de lengte van de pijl. Met de krachtenschaal kun je nu de grootte van de resultante berekenen.

Resultante berekenen

Soms kun je de grootte van de resultante berekenen zonder een tekening op schaal te maken. Het gaat om de volgende situaties:

• De krachten werken in dezelfde richting. Tel de grootte van de twee krachten bij elkaar op om de resultante te krijgen.
• De krachten werken in tegenovergestelde richting. Trek de grootte van de twee krachten van elkaar af om de resultante te krijgen.
• De krachten staan loodrecht op elkaar. In deze situatie kun je de grootte van de resultante berekenen met de stelling van Pythagoras.

Evenwicht

Proef: Evenwicht
Benodigdheden: Hefboom met haakjes, gewichtjes Neem een hefboom met haakjes waar je gewichtjes aan kan hangen. Die oefenen dan krachten uit op de hefboom. Als je aan beide kanten een even zwaar gewichtje hangt, is hij in evenwicht. Hij hangt recht. Maar als je er links een gewichtje bijhangt, is hij niet meer in balans. De hefboom begint te draaien. Je kunt het evenwicht herstellen door rechts één gewichtje toe te voegen. Maar er is nog een andere manier. De gewichtjes links dichter bij het draaipunt hangen. Dan is hij weer in balans. Conclusie: twee krachten hoeven niet even groot te zijn om elkaar in evenwicht te houden. De afstand tot het draaipunt speelt ook een rol. Die afstand wordt de arm van de kracht genoemd.
Wat heb ik geleerd:

Hefbomen

Je gebruikt dagelijks je spierkracht om dingen los te draaien, te openen en op te tillen. Maar soms heb je niet genoeg kracht om dat voor elkaar te krijgen. In zo'n geval kan je beter een hefboom gebruiken.De formule is F1 x A= F2 X B.

Zo werkt een steeksleutel. Een kleine kracht, F1, ver van het draaipunt, afstand A, veroorzaakt een grote kracht, F2, dichtbij het draaipunt, op afstand B. Door zo'n hefboom wordt je spierkracht als het ware vergroot.

Dubbele hefbomen

Tangen en scharen bestaan uit twee hefbomen die om hetzelfde draaipunt draaien. Zo werkt een nijptang. Nijptangen vergroten je kracht ook.

Kracht besparen

De katrol

Een katrol kun je gebruiken om dingen omhoog te hijsen. Als je bijvoorbeeld een tafel omhoog wilt hijsen, moet je met een kracht van ongeveer 100 N aan het touw trekken. Een katrol vergroot je kracht niet. Als je 1 meter kabel inhaalt, gaat de tafel ook 1 meter omhoog. Toch is een katrol wel een handig ding voor deze klus. Het is makkelijker om een touw naar beneden te trekken dan omhoog.

De takel

Het komt weleens voor dat een voorwerp te zwaar is om met 1 vaste katrol op te hijsen. In zo'n geval kun je een combinatie van een vaste en en een losse katrol gebruiken. Dat noem je een takel. Met een takel gebruik je spierkracht meer keren op een slimme manier.

Stel, je hebt een kist met een massa van 10 kilo. De benodigde hijskracht is dus 100 N. Met de takel zoals op de tekening hoef je maar met een kracht van 25 N aan het touw te trekken. Dat komt doordat het gewicht van de kist over vier stukken touw wordt verdeeld. Om de kist 1 meter op te trekken, moet je nu wel 4 meter touw inhalen. Wat je wint aan kracht, verlies je aan verplaatsing. De massa hangt aan vier touwen die ieder 1 meter korter moeten worden, samen 4 meter. Dus kracht maal ingehaalde touwlengte, de nodige arbeid die je erin stopt, blijft gelijk aan de arbeid, die de massa opneemt: 25 N x 4 m = 100 N x 1 m.

De krik

Met een krik kun je een auto zonder veel moeite omhoog krijgen. Ook hier geldt: wat je wint aan kracht, verlies je aan verplaatsing. Als je de hefboom 40 centimeter naar beneden duwt, gaat de auto maar een halve centimeter omhoog.

De afstand wordt bij de krik 80 keer zo klein. 40:0,5=80. Dat betekent dat je kracht 80 keer zo groot wordt. Daarmee krijg je makkelijk een auto omhoog.

Druk

Gewicht verdelen

Een tractor is erg zwaar. Toch kan hij op zand rijden zonder erin weg te zakken. Dat komt doordat de banden groot en breed zijn; ze verdelen het gewicht van de tractor over een groot oppervlak. Zo wordt voorkomen dat de druk op het zand te groot wordt.

De druk kleiner maken

Meestal mag de druk niet te groot zijn. Bijvoorbeeld als je over een dikke laag sneeuw loopt. Je kunt de druk kleiner maken door ski's onder te doen. Dan verdeel de de kracht over een groter oppervlak.

Je kunt de druk ook kleiner maken door de kracht kleiner te maken. Bijvoorbeeld bij het bouwen van een huis, door lichte bouwmaterialen te gebruiken. Zo blijft het gewicht van een huis laag en zakt hij niet weg in de grond.